TY  - THES
A1  - Lodes, Nina Theresa
T1  - Tissue Engineering für seltene Erkrankungen mit Störungen des mukoziliären Transports
T1  - Tissue engineering for rare diseases with impaired mucociliary transport
N2  - Bei der zystischen Fibrose (CF) sowie der primären Ziliendyskinesie (PCD) handelt es sich um zwei seltene Erkrankungen, die unter anderem den mukoziliären Transport beeinträchtigen. CF gehört hierbei zu den am häufigsten vorkommenden angeborenen Stoffwechselerkrankungen, wobei Betroffene unter einem Defekt des Cystic Fibrosis Transmembrane Conductor Regulator (CFTR)-Gens leiden, der durch die Produktion von hochviskosem Sekret in muzinproduzierenden Organen, wie dem gastrointestinalen Trakt und der Lunge, gekennzeichnet ist. Patienten, die an PCD leiden, weisen Defekte in, zum jetzigen Zeitpunkt, ca. 38 bekannten und PCD-assoziierten Genen auf, die in strukturellen Defekten des ziliären Apparats und somit in dysfunktionalen Kinozilien resultieren. Da aktuell weder für die CF noch für die PCD eine Heilung möglich ist, steht bei der Therapie vor allem die Linderung der Symptome im Fokus. Grundlegendes Ziel ist der langfristige Erhalt der Lungenfunktion sowie die Prävention bakterieller Infekte. Als bisherige Modellsysteme zur Erforschung möglicher Therapeutika gelten Tiermodelle, die den humanen Phänotyp aufgrund von Speziesdiversität nicht vollständig abbilden können. Als vielversprechende Testsysteme für die zystische Fibrose gelten humane intestinale Organoidkulturen. Nachdem allerdings vorwiegend respiratorische Symptome für die Mortalität der Patienten verantwortlich sind, stellen CF-Atemwegsmodelle bessere Testsysteme für zukünftige Therapeutika dar. Atmungsorganoidkulturen wurden verwendet, um die CFTR-Funktionalität zu untersuchen, repräsentieren aber nicht vollständig die in vivo Situation. Deshalb werden zur Entwicklung neuer Therapiestrategien patientenspezifische 3D in vitro Testsysteme der humanen Atemwege benötigt, die insbesondere im Hinblick auf personalisierte Medizin ihren Einsatz finden. In der vorliegenden Arbeit wurde eine für den Lehrstuhl neue Methode zur Zellgewinnung aus nasalen Schleimhautabstrichen etabliert, die eine standardisierte Versorgung mit humanem Primärmaterial garantiert. Zur Generierung einer krankheitsspezifischen Zelllinie, wie beispielsweise einer PCD-Zelllinie mit Hilfe des CRISPR/Cas9-Systems, ist eine Atemwegszelllinie erforderlich, die die in vivo Situation vollständig repräsentiert. So wurden vier verschiedene respiratorische Epithelzelllinien (HBEC3-KT, Calu-3, VA10 und Cl-huAEC) auf ihren mukoziliären Phänotyp hin untersucht, wobei lediglich die Zelllinie HBEC3-KT in zilientragende Zellen differenzierte. Diese zeigten jedoch nur auf ca. 5 % der Modelloberfläche Kinozilien, wodurch die humane respiratorische Mukosa nicht komplett abgebildet werden konnte und die HBEC3-KT-Zelllinie keine geeignete Zelllinie zur Generierung einer PCD-Zelllinie darstellte. Mit Hilfe des Tissue Engineering war es möglich, 3D in vitro Testsysteme basierend auf zwei unterschiedlichen Matrices, der biologischen SIS (small intestinal submucosa) und der synthetischen Polyethylenterephthalat (PET)-Membran, aufzubauen. Es wurden 3D Atemwegstestsysteme mit humanen primären nasalen und tracheobronchialen Epithelzellen generiert. Ergänzend zu histologischen Untersuchungen und zur Charakterisierung spezifischer Marker des respiratorischen Systems mittels Immunfluoreszenz, wurde die Ultrastruktur der Modelle, mit speziellem Fokus auf ziliäre Strukturen, analysiert. Um Rückschlüsse auf die ziliäre Funktionalität ziehen zu können und somit eine hohe in vivo Korrelation zu bestätigen, wurde im Rahmen dieser Arbeit am Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin die Methode der Hochgeschwindigkeitsvideomikroskopie etabliert, welche die Analyse der Zilienschlagfrequenz sowie des mukoziliären Transports ermöglicht. Ebenfalls wurde der Einfluss von isotoner Kochsalzlösung und des � 2-adrenergen Agonisten Salbutamol, das vor allem als Bronchodilatator bei Asthmapatienten eingesetzt wird, auf die Zilienschlagfrequenz analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass beide Substanzen den Zilienschlag im Atemwegsmodell erhöhen. Zur Generierung der Testsysteme der beiden seltenen Erkrankungen CF und PCD wurden Epithelzellen der betroffenen Patienten zunächst mittels nicht-invasiver Raman-Spektroskopie auf einen potentiellen Biomarker untersucht, welcher Einsatz in der Diagnostik der beiden Krankheiten finden könnte. Es konnte jedoch weder für die CF noch für die PCD ein Biomarker aufgedeckt werden. Jedoch zeigten PCD-Zellen eine geringe Auftrennung gegenüber nicht-PCD Zellen. Anschließend wurden 3D-Atemwegstestsysteme basierend auf Patientenzellen aufgebaut. Der Phänotyp der CF-Modelle wurde mittels immunhistologischer Färbung und der Analyse des gestörten mukoziliären Transports verifiziert. Strukturelle ziliäre Defekte konnten durch die ultrastrukturelle Analyse von Zilienquerschnitten in drei donorspezifischen PCD-Modellen identifiziert werden. Darüber hinaus konnte die ziliäre Funktionalität mit Hilfe der Hochgeschwindigkeitsvideomikroskopie nicht nachgewiesen werden. Zusammenfassend ist es in dieser Arbeit gelungen, eine neue Methode zur vollständigen Charakterisierung von 3D-Atemwegstestsystemen zu etablieren, die die Analyse der Zilienschlagfrequenz sowie des mukoziliären Transports ermöglicht. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass mit Hilfe des Tissue Engineering ein personalisiertes Krankheitsmodell für die PCD auf Segmenten eines dezellularisierten porzinen Jejunums generiert werden kann, das zukünftig ein Testsystem für potentielle Therapeutika darstellen kann.
N2  - Cystic fibrosis (CF) and primary ciliary dyskinesia (PCD) are two rare diseases which,among others, impair the mucociliary transport. CF is one of the most common in-herited metabolic diseases with patients suffering from a defect in theCystic FibrosisTransmembrane Conductor Regulator(CFTR) gene, which is characterized by the pro-duction of highly viscous secretions in mucin-producing organs such as the gastrointestinaltract and lungs. Patients suffering from PCD have defects in currently approximately 38known and PCD-associated genes resulting in structural defects of the ciliary appara-tus and thus in dysfunctional cilia. Since neither CF nor PCD have any chance of beingcured so far, the main focus is on alleviating the symptoms. The basic goal is the long-term preservation of lung function and the prevention of microbial infections. Previousmodel systems for exploring possible therapeutic options have been animal models thatcan never completely represent the human phenotype due to species diversity. Humanintestinal organoid cultures are considered as a promising test system for cystic fibro-sis. However, since respiratory symptoms are mainly responsible for patient mortality,CF respiratory models provide better test systems for future therapeutics. Respiratoryorganoid cultures have been used to study CFTR functionality, but do not completelyrepresent thein vivosituation. In order to develop new therapeutic strategies, patient-specific 3Din vitrotest systems for the human respiratory tract expressing functionalkinocilia are required, which can be used in particular with regard to personalized medi-cine.In the present thesis, a new method for obtaining cells from nasal mucosal brush biop-sies was established, that guarantees a standardised supply of human primary materi-al. In order to generate a disease-specific cell line, such as a PCD cell line, using theCRISPR/Cas9 system, a respiratory cell line that fully represents thein vivosituation isrequired. Hence, four different respiratory epithelial cell lines (HBEC3-KT, Calu-3, VA10and Cl-huAEC) were investigated with regard to their mucociliary phenotype, wherebyonly the cell line HBEC3-KT differentiated into ciliated cells. However, these showed ki-nocilia only on approx. 5 % of the model’s surface, thus the human respiratory mucosacould not be completely modelled and HBEC3-KT cell line is no suitable cell line for geneediting experiments.Tissue engineering made it possible to build 3Din vitrotest systems based on two differentmatrices, the biological SIS (small intestine submucosa) and synthetic PET (polyethyleneterephthalate) membranes. 3D airway test systems were generated using human primarynasal and tracheobronchial epithelial cells. In addition to histological investigations and the characterization of specific markers of the respiratory system by immunofluorescence,the ultrastructure of the models was analyzed with a special focus on ciliary structures.In order to gain insight into the ciliary functionality and thus to achieve a highin vivocorrelation, the method of high-speed video microscopy was established within the scopeof this work at the Chair of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, which allowsthe analysis of ciliary beat frequency as well as mucociliary transport. The influence ofisotonic saline solution and salbutamol, aβ2-adrenergic agonist mainly used as broncho-dilator in asthma patients, on ciliary beat frequency was also analyzed. It could be shownthat both substances increased the ciliary beat of the primary respiratory mucosa models.In order to generate test systems for the two rare diseases CF and PCD, epithelial cellsof the affected patients were first examined by non-invasive Raman spectroscopy for apotential biomarker that could be used in diagnostic approaches. However, no biomarkerfor CF or PCD could be detected, with PCD cells showing a low separation to non-PCDcells. Subsequently, 3D test systems based on patient cells were developed. The phenotypeof the CF models was verified by immunohistological staining and analysis of impairedmucociliary transport. Ultrastructural ciliary defects could be identified by ultrastructuralanalysis of cilia cross sections in three donor-specific PCD models. Additionally, ciliaryfunctionality could not be detected using high speed video microscopy analysis.In summary, this work succeeded in establishing a new method for the complete characte-rization of 3D airway test systems, which allows the analysis of ciliary beating frequencyand mucociliary transport. It has been shown for the first time that tissue engineering canbe used to generate a personalized disease model for PCD using a decellularized poricinejejunum as a scaffold. Both, PCD and CF disease models could in future be regarded astest systems for potential therapeutics.
KW  - In-vitro-Kultur
KW  - Tissue Engineering
KW  - Gewebekultur
KW  - Individualisierte Medizin
KW  - Respiratorisches System
KW  - Primäre Ziliendyskinesie
KW  - airways
KW  - primary ciliary dyskinesia
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-200178
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bleuel, Gabriel
T1  - Entwicklung und Validierung eines quantitativen Verfahrens zur Beurteilung der Viabilität von entsprechend der GMP-Richtlinien hergestellter Knorpelimplantate für das Knie
T1  - Development and validation of a quantitative assay for a viability test of cultivated knee cartilage implants
N2  - Due to the reversing age pyramid in Germany, more and more people are already suffering from joint cartilage damage. But not only age, but also accidents and sports injuries and being overweight can lead to irreversible cartilage defects. Although there are various treatment options, the previous methods cannot be considered a permanent cure. As part of the international research project BIO-CHIP, a promising treatment method with novel drugs was to be investigated.
The patient's own cartilage cells from the nose serve as the starting material for the drug, a manufactured cartilage implant. These are isolated, multiplied and ultimately cultivated on a matrix to form a cartilage implant. In addition to toxicological and biological safety tests, an essential prerequisite for the approval of the implant is the assessment of the viability. This was previously carried out on the basis of histology from the pathology department.
The aim of the present work was the development and validation of a standardized and objective viability test for the chondrocytes within the cartilage matrix. For this, the LDH was used as a marker for irreversibly damaged cells. The LDH concentration could be measured with the CyQuant LDH assay by measuring the absorption. It could be proven that LDH has the required stability and detectability in the medium. With the help of the lysis, of cultivated mini-cartilage implants, the maximum achievable LDH concentrations could be determined. A calibration curve was generated using these concentrations. This serves to assess the viability of future measured absorptions of the supernatant medium.
The developed method does not require any invasive interventions on the implant and is characterized by its simple implementation, since only the protrusion has to be measured. The validation of the method certified a high level of robustness, linearity, accuracy and precision.
N2  - Aufgrund der sich umkehrenden Alterspyramide in Deutschland leiden bereits jetzt immer mehr Menschen an Gelenkknorpelschäden. Doch nicht nur das Alter, sondern auch Unfälle und Sportverletzungen und Übergewicht können zu irreversiblen Knorpeldefekten führen. Obwohl es diverse Behandlungsmöglichkeiten gibt, können die bisherige Methoden nicht als dauerhafte Heilung betrachtet werden. Im Rahmen des internationalen Forschungsprojektes BIO-CHIP sollte eine vielsprechende Behandlungsmethode mit neuartigen Arzneimitteln untersucht werden.
Als Ausgangsmaterial des Arzneimittels, ein hergestelltes Knorpelimplantat, dienen patienteneigene Knorpelzellen aus der Nase. Diese werden isoliert, vermehrt und letztlich auf einer Matrix zu einem Knorpelimplantat kultiviert. Wesentliche Voraussetzung für die Implantatfreigabe stellt neben toxikologischen und biologischen Unbedenklichkeitstests die Beurteilung der Viabilität dar. Diese wurde bisher anhand von Histologieschnitten von der Pathologie durchgeführt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Validierung eines standardisierten und objektiven Viabilitätstests für die Chondrozyten innerhalb der Knorpelmatrix. Hierfür wurde die LDH als Marker für irreversibel geschädigte Zellen verwendet. Die LDH Konzentration konnte mit dem CyQuant LDH-Assay durch die Messung der Absorption gemessen werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass LDH die erforderliche Stabilität und Nachweisbarkeit im Medium besitzt. Mithilfe der Lyse, analog zum Herstellungsprozess, gezüchteter Mini-Knorpelimplantate, konnten die maximal erreichbaren LDH Konzentrationen ermittelt werden. Mithilfe dieser Konzentrationen wurde eine Eichkurve generiert. Diese dient als Beurteilung der Viabilität zukünftig gemessener Absorptionen des Überstandmediums.
Das entwickelte Verfahren erfordert keine invasiven Eingriffe am Implantat und zeichnet sich durch eine einfache Durchführung aus, da nur der Überstand gemessen werden muss. Die durchgeführte Validierung der Methode bescheinigte eine hohe Robustheit, Linearität, Genauigkeit und Präzision.
KW  - Hyaliner Knorpel
KW  - Lactatdehydrogenase
KW  - Kniegelenk
KW  - Zellkultur
KW  - Entwicklung
KW  - development
KW  - Validierung
KW  - LDH-assay
KW  - Knorpelimplantate
KW  - validation
KW  - cartilage
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242481
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ickrath, Katrin Marie
T1  - DNA-Stabilität und -Regenerationsfähigkeit von humanen Nasenschleimhautzellen in Kulturmodellen
T1  - DNA stability and regeneration capacity of human nasal mucosa in tissue systems
N2  - Kulturmodelle des respiratorischen Epithels werden zur Klärung multipler Fragestellungen, zum Beispiel der Untersuchung seltener respiratorischer Erkrankungen, wie der primären Ziliendyskinesie (PCD) herangezogen. Hierbei könnten in Zukunft Kulturmodelle integraler Bestandteil des Diagnosealgorithmus werden. Die Isolierung und Kultivierung von Primärzellen des menschlichen Respirationstrakts ist dabei wesentlich komplexer als die Nutzung etablierter Zelllinien. Jedoch ermöglicht die Verwendung der Primärzellkulturen eine exaktere Darstellung des mehrreihigen Flimmerepithels der oberen Atemwege. Die Gewinnung der Primärzellen kann mechanisch mit zusätzlichem enzymatischen Verdau, oder durch sequentielles Auswachsen der Zellen erfolgen. Angewendet werden sowohl Epithelzell-Monokulturen wie auch Cokulturen mit Fibroblasten. Die Nutzung des Air-Liquid Interface in Transwell Systemen ermöglicht in beiden Kulturen die Differenzierung zu einem Kinozilien tragenden Flimmerepithel. Hierbei ist nicht endgültig geklärt, welches Modell die in vivo Gegebenheiten besser darstellt und welche Vorteile diese haben. Außerdem liegen bislang keine Daten über die Zellstabilität und -regenerationsfähigkeit nach genotoxischer Behandlung sowie Informationen über chromosomale Veränderungen während des Zellkultivierungsprozesses über mehrere Passagen vor. Derartige Informationen sind allerdings für die Etablierung eines Kulturmodells der oberen Atemwege von essentieller Bedeutung. Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung der DNA-Stabilität und -Regenerationsfähigkeit über drei Passagen nach genotoxischer Behandlung, vergleichend für beide Kulturmodelle sowie die Überprüfung der chromosomalen Stabilität innerhalb des Kultivierungsprozesses und der Funktionsfähigkeit beider Zellkulturen. Zu diesem Zweck wurde eine toxikologische Versuchsreihe von jeweils 10 Spendern für beide Kulturmodelle, Mono- bzw. Cokultur im Air-Liquid Interface über drei Passagen durchgeführt. Hierbei wurde die Grundschädigung, die Schädigung nach einstündiger Behandlung mit 300μl des Alkylanz Methylmethansulfonat (MMS) und nach einer 24-stündigen Regenerationszeit mit dem Comet Assay überprüft. Zur Untersuchung der chromosomalen Stabilität innerhalb des Kulturprozesses wurden parallel Chromosomenaberrationstests an unbehandelten Zellen über drei Passagen durchgeführt. Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Zellen wurde ein Interleukin-8 (IL-8) ELISA für 10 Versuchsansätze in der jeweils ersten Passage beider Kulturen verwendet. Hierbei wurde die IL-8-Konzentration im Überstand der unbehandelten Zellkulturen sowie nach 1μg/ml bzw. 10μg/ml Lipopolysaccarid(LPS)- Exposition untersucht. Für die Cokultur wurden sowohl beide Zelltypen gemeinsam als auch die Epithelzellen bzw. die Fibroblasten getrennt betrachtet. In beiden Modellen wurden zusätzlich rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen zur Untersuchung der ziliären Strukturen durchgeführt. Zur Überprüfung der Fibroblastenkontamination in der Monokultur wurden als einmaliger Versuchsablauf Vimentin- Färbungen über drei Passagen angewendet. Mit dem Comet Assay konnte in beiden Modellen eine gute Regeneration der DNA-Integrität nach MMS-induzierter DNA-Schädigung über alle Passagen nachgewiesen werden. Als einmaliger Versuchsansatz wurde das Enzym Methylpuringlykosylase (MPG) als Teil der Basenexzisionsreparatur nachgewiesen. Es ergaben sich Unterschiede in der Kultivierbarkeit der Zellen: die Monokultur zeigte eine gute Zellkultivierbarkeit bis zur dritten Passage. Es konnte jedoch mit der Vimentinfärbung eine Fibroblastenkontamination von Beginn an sowie eine Zunahme mit Höhe der Passage nachgewiesen werden. Es handelt sich hierbei demnach nicht um eine Reinkultur respiratorischer Epithelzellen. Die Cokultur ermöglicht getrennte Epithelzell- bzw. Fibroblastenkulturen, jedoch keine gute Kultivierbarkeit bis in höhere Passage. Methodisch konnte die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Chromosomenaberrationstests an primären Nasenschleimhautzellen erstmals für eine große Stichprobenanzahl gezeigt werden. In den durchgeführten Chromosomenaberrationstests konnte eine gewisse Grundschädigung über alle Passagen nachgewiesen werden, jedoch sollten weitere Tests erfolgen, um diese Tendenz zu verifizieren. Die funktionelle Integrität wurde mit dem IL-8 ELISA nach LPS-Exposition sowie durch den Nachweis ziliärer Strukturen im REM exemplarisch bestätigt. Die erhobenen Daten liefern zusammengefasst wichtige Informationen über die Zellstabilität und -regenerationsfähigkeit der bislang verwendeten Kulturmodelle. Insbesondere Informationen über chromosomale Veränderungen sollten in Zukunft genauer betrachtet werden. Von großem Interesse wäre außerdem die Überprüfung derartige Zelleigenschaften in Zellkulturen von PCD erkrankten Spendern.
N2  - Cell culture models of human nasal mucosa are widely used to clarify a broad variety of scientific questions. Particularly the research of orphan disease, like Primary Ciliary Dyskinesia (PCD), may represent a possible field of application. In the future, these models may play a major role in diagnostic algorithms of PCD. The process of isolating and cultivating primary cells is way more complex than using established cell lines. However, it allows a more precise description in analogies to in vivo conditions in the human respiratory tract.  Primary cells could be extracted by mechanic and enzymatic isolation or by sequential outgrow. Epithelial cells can be cultivated in monocultures or with fibroblasts in cocultures. Using air-liquid interface conditions in Transwell systems enable the differentiation to ciliated respiratory epithelium. It is not yet clarified which model represents in vivo situation in a better way and what kind of advantages they have. Data about stability and regenerative capacity after DNA-damaging treatment, as well as information about chromosomal alterations during the multi-passages cultivating process, is sparse. This information has a high importance to establish a culture model for primary cells of the respiratory epithelium. This work aimed to explore the DNA-stability and regeneration capacity over three passages after genotoxic treatment compared for both culture models. Moreover, the chromosome stability during cultivating process and the functional activity should be verified. 

For this purpose, a series of toxicological experiments was conducted. For both models, primary cells of 10 different donors were cultivated over three passages. The comet assay was applied to analyze the baseline DNA-damage, the damage after one hour of treatment with 300l of the alkylating agent Methylmethanesulfonate (MMS) and the residual damage after a regeneration period of 24 hours. Moreover, the chromosomal stability throughout the cultivating process was verified by using chromosomal aberration tests for the untreated cells. An Interleukin-8 (IL-8) ELISA was conducted in ten experiments of each model during the first passage to assess an efficient cellular function. Hence, we examined the concentration of IL-8 in supernatant of the untreated cell cultures, as well as after exposure with 1g/ml and 10g/ml of Lipopolysaccaride (LPS). Within the coculture, we examined both cell types jointly and separately for epithelial cells and fibroblast cells. We performed Scanning Electron Microscope (SEM) images of both models to detect kinocilia. To detect the fibroblast contamination in the monoculture, vimentin staining was performed for three passages in a single test.

The results of the comet assay revealed a good regenerative capacity of DNA-integrity after MMS-induced DNA-damage in both models for all passages. The enzyme Methylpurineglykosylase (MPG), which is part of the Base excision repair (BER) could be detected in a single test. Differences were seen within the cultivability of both methods. The monoculture showed a good cultivability for all passages. However, the vimentin staining proved a contamination with fibroblasts from the very first passage. Furthermore, an increase of the fibroblast amount in the higher passages was observed. This leads to the conclusion, that the monoculture model is not a pure culture of respiratory epithelium. Instead, the coculture enables a separate culture of fibroblasts and epithelial cells. Nevertheless, the coculture showed a worse cultivability. Applicability of the chromosomal aberration test for nasal mucosa cells could be proved for the first time in a large number of samples. Although the chromosomal aberration test showed a certain baseline damage over all passages, further tests should be done to verify the tendency. Furthermore, aspects of cell functionality were evaluated. The results of the IL-8 ELISA proved the functional activity in both methods. Further, the SEM images exemplary verified kinocilia differentiation.

In summary, our findings deliver important information about the stability and regenerative capacity of the used cell culture models. Especially, data of chromosomal modifications should be examined in the near future. Furthermore, it would be of great interest to examine these cell characteristics within cell cultures of PCD donors.
KW  - Primärelement
KW  - in vitro Kulturmodelle
KW  - Primärzellen
KW  - Nasenschleimhaut
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230438
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TY  - THES
A1  - Kessie, David Komla
T1  - Characterisation of Bordetella pertussis virulence mechanisms using engineered human airway tissue models
T1  - Charakterisierung der Virulenzmechanismen von Bordetella pertussis mit humanen Gewebemodellen der Atemwege
N2  - Pertussis is a highly contagious acute respiratory disease of humans which is mainly caused by the gram-negative obligate human pathogen Bordetella pertussis. Despite the availability and extensive use of vaccines, the disease persists and has shown periodic re-emergence resulting in an estimated 640,000 deaths worldwide in 2014. The pathogen expresses various virulence factors that enable it to modulate the host immune response, allowing it to colonise the ciliated airway mucosa. Many of these factors also directly interfere with host signal transduction systems, causing damage to the ciliated airway mucosa and increase mucous production. Of the many virulence factors of B. pertussis, only the tracheal cytotoxin (TCT) is able to recapitulate the pathophysiology of ciliated cell extrusion and blebbing in animal models and in human nasal biopsies. Furthermore, due to the lack of appropriate human models and donor materials, the role of bacterial virulence factors has been extrapolated from studies using animal models infected with either B. pertussis or with the closely related species B. bronchiseptica which naturally causes respiratory infections in these animals and produces many similar virulence factors. Thus, in the present work, in vitro airway mucosa models developed by co-culturing human airway epithelia cells and fibroblasts from the conduction zone of the respiratory tract on a decellularized porcine small intestine submucosa scaffold (SISser®) were used, since these models have a high correlation to native human conducting zone respiratory epithelia. The major aim was to use the engineered airway mucosa models to elucidate the contribution of B. pertussis TCT in the pathophysiology of the disease as well as the virulence mechanism of B. pertussis in general. TCT and lipopolysaccharide (LPS) either alone or in combination were observed to induce epithelial cell blebbing and necrosis in the in vitro airway mucosa model. Additionally, the toxins induced viscous hyper-mucous secretion and significantly disrupted barrier properties of the in vitro airway mucosa models. This work also sought to assess the invasion and intracellular survival of B. pertussis in the polarised epithelia, which has been critically discussed for many years in the literature. Infection of the models with B. pertussis showed that the bacteria can adhere to the models and invade the epithelial cells as early as 6 hours post inoculation. Invasion and intracellular survival assays indicated the bacteria could invade and persist intracellularly in the epithelial cells for up to 3 days. Due to the novelty of the in vitro airway mucosa models, this work also intended to establish a method for isolating individual cells for scRNA-seq after infection with B. pertussis. Cold dissociation with Bacillus licheniformis subtilisin A was found to be capable of dissociating the cells without inducing a strong fragmentation, a problem which occurs when collagenase and trypsin/EDTA are used. In summary, the present work showed that TCT acts possibly in conjunction with LPS to disrupt the human airway mucosa much like previously shown in the hamster tracheal ring models and thus appears to play an important role during the natural B. pertussis infection. Furthermore, we established a method for infecting and isolating infected cells from the airway mucosa models in order to further investigate the effect of B. pertussis infection on the different cell populations in the airway by single cell analytics in the future.
N2  - Pertussis ist eine hoch ansteckende akute Atemwegserkrankung des Menschen, die durch das gramnegative obligat humanpathogene Bakterium Bordetella pertussis verursacht wird. Obwohl seit langer Zeit effektive Impfstoffe verfügbar sind und weltweit eingesetzt werden, stellt die Krankheit nach wie vor ein großes Problem dar und tritt seit einiger Zeit auch in Ländern mit guten Impfraten wieder vermehrt auf. Allein in den letzten 10 Jahren wurden weltweit etwa 24 Millionen Neuinfektionen mit 640,000 Todesfällen pro Jahr gezählt. Die Bakterien exprimieren verschiedene Virulenzfaktoren, die es ihnen ermöglichen, die Immunantwort des Wirts zu modulieren, wodurch sie die Schleimhaut der oberen Atemwege besiedeln können. Viele dieser Faktoren stören auch direkt die Signaltransduktionssysteme des Zellen der oberen Atemwege, was zu einer Schädigung des Flimmerepithels der Atemwege und zu einer starken Erhöhung der Schleimproduktion führt. Von den vielen bekannten Virulenzfaktoren von B. pertussis kann soweit bekannt nur das Tracheale Cytotoxin (TCT) die typische Pathophysiologie des Flimmerepithels verursachen, die durch massive Gewebszerstörung gekennzeichnet ist und z.B. das Herauslösen von Epithelzellen aus der Epithelschicht oder die Ausbildung von bläschenförmigen Epithelzellen beinhaltet. Aufgrund des Mangels an geeigneten menschlichen Modellsystemen bzw. an Spendermaterialien wurden die Virulenzeigenschaften des Erregers entweder mit Hilfe von einfachen Zellkultursystemen oder in Tiermodellen untersucht, die keine natürlichen Wirte für B. pertussis darstellen. Alternativ hierzu wurden auch Daten, die mit dem eng verwandten tierpathogenen Bakterium B. bronchiseptica, das viele aus B. pertussis bekannte Virulenzfaktoren produziert, in entsprechenden Tiermodellen erhoben wurden, genutzt, um auf die Virulenzeigenschaften von B. pertussis zu schließen. Die vorliegende Arbeit verwendet In-vitro-Atemwegsschleimhautmodelle, die durch Co-Kultivierung von menschlichen Atemwegsepithelzellen und Fibroblasten auf einem dezellularisierten Schweine-Dünndarm-Submukosa-Gerüst (SISser®) entwickelt wurden. Die in-vitro-Atemwegsschleimhautmodelle weisen eine hohe Korrelation mit nativen menschlichen Epithelien der oberen Atemwege auf. Mithilfe dieser neuartigen Atemwegsschleimhautmodelle sollte der Beitrag von B. pertussis TCT zur Pathophysiologie der Krankheit und die Bedeutung von TCT als relevanter Virulenzfaktor aufgeklärt werden. Es wurde beobachtet, dass TCT und das bakterielle Lipopolysaccharid (LPS) entweder alleine oder in Kombination die Bildung von Epithelzellbläschen und Nekrose in diesen in-vitro-Atemwegsschleimhautmodellen induzieren. Zusätzlich induzierten diese Toxine eine viskose Hyperschleimsekretion und störten die Barriereeigenschaften der in-vitro-Atemwegsschleimhautmodelle signifikant. Zudem wurde in dieser Arbeit versucht, die Invasion und das intrazelluläre Überleben von B. pertussis in den polarisierten Epithelien zu bewerten, das in der einschlägigen Fachliteratur kritisch diskutiert wird. Die Infektion der Modelle mit B. pertussis zeigte, dass die Bakterien bereits 6 Stunden nach der Inokulation an den Modellen adhärieren und in diese eindringen können. Invasions- und intrazelluläre Überlebenstests zeigten, dass die Bakterien bis zu 3 Tage intrazellulär in die Epithelzellen überleben können. Aufgrund der Neuheit der in dieser Arbeit entwickelten in-vitro-Atemwegsschleimhautmodelle sollte auch eine Methode zur Isolierung einzelner Zellen für scRNA-seq Analysen nach Infektion mit B. pertussis etabliert werden. Dabei wurde festgestellt, dass die Inkubation der Modelle mit Subtilisin A von Bacillus licheniformis in der Kälte eine sehr gute Methode darstellt, um die Zellen zu dissoziieren, ohne eine starke Fragmentierung zu induzieren, wie sie unter Verwendung von Kollagenase und Trypsin / EDTA auftritt. Zusammenfassend wird in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass TCT gemeinsam mit LPS eine extrem destruktive Wirkung auf die menschliche Atemwegsschleimhaut besitzt, die der früher gezeigten Wirkung in Tiermodellen stark ähnelt. TCT sollte deshalb tatsächlich als ein wichtiger Virulenzfaktor von B. pertussis eingeschätzt werden. Darüber hinaus wurden Methoden zur Infektion und Isolierung von infizierten Zellen aus den Atemwegsschleimhautmodellen entwickelt, um künftig die Auswirkung einer B. pertussis Infektion auf die verschiedenen Zellpopulationen in den Atemwegen durch Einzelzellanalytik noch besser erforschen zu können.
KW  - Tissue engineering
KW  - Pertussis
KW  - Airway epithelia
KW  - Bordetella
KW  - tracheal cytotoxin
KW  - 3D models
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-235717
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TY  - THES
A1  - Sivarajan, Rinu
T1  - Engineered Human Airway Mucosa for Modelling Respiratory Infections: Characterisation and Applications
T1  - Gewebemodelle der humanen Atemwegsschleimhaut für Infektionsstudien der Atemwege: Charakterisierung und Anwendungen
N2  - Respiratory infections are a significant health concern worldwide, and the airway epithelium plays a crucial role in regulating airway function and modulating inflammatory processes. However, most studies on respiratory infections have used cell lines or animal models, which may not accurately reflect native physiological conditions, especially regarding human pathogens. We generated human nasal mucosa (hNM) and tracheobronchial mucosa (hTM) models to address this issue using primary human airway epithelial cells and fibroblasts. We characterised these human airway tissue models (hAM) using high speed video microscopy, single cell RNA sequencing, immunofluorescence staining, 
and ultrastructural analyses that revealed their complexity and cellular heterogeneity. We demonstrated that Bordetella pertussis virulence factor adenylate cyclase toxin (CyaA) elevated the intracellular production of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and secretion of interleukin (IL) 6, IL 8, and human beta defensin 2 (HBD2). In addition, we compared the responses of the tissue models from two different anatomical sites (the upper and lower respiratory mucosa) and are the first to report such differential susceptibility towards CyaA using 3D primary airway cell derivedmodels. The effect of toxin treatment on the epithelial barrier integrity of the tissue models was assessed by measuring the flux of fluorescein isothiocyanate (FITC)-conjugated dextran across the models. Though we observed a cell type specific response with respect to intracellular cAMP production and IL 6, IL 8, and HBD2 secretion in the models treated with CyaA on the apical side, the epithelial membrane barrier integrity was not compromised. In addition to toxin studies, using these characterised models, we established viral infection studies for Influenza A (IAV), Respiratory Syncytial Virus subtype B (RSV), and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2. We visualised the morphological consequences of the viral infection using ultrastructural analysis 
and immunofluorescence. We verified the effective infection in hAM by measuring the viral RNA using RTqPCR and detected elevated cytokine levels in response to infection using biochemical assays. In contrast to cell lines, studies on viral infection using hAM demonstrated that infected areas were localized to specific regions. This led to the formation of infection hotspots, which were more likely to occur when models derived from different donors were infected separately with all three viruses. IAV infected tissue models replicate the clinical findings of H1N1 infection, such as mucus 
hypersecretion, cytokine release, and infection-associated epithelial cell damage.Finally, we paved the steps towards understanding the impact of IAV infection on disease models. We generated hTM from biopsies obtained from chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients. As a model to study the impact of COPD on respiratory infections, considering the increase in COPD cases in the past decade and the continued predicted increase in the future. We established the IAV infection 
protocol to capture the early infection signatures in non-COPD and COPD conditions using scRNA-seq. We investigated the infection kinetics of IAV (H1N1-clinical isolate) in hTM and found that viruses were actively released approximately 24 hours post infection. The scRNA-seq data from the hTM derived from non-COPD and COPD patients, revealed lower levels of SCGB1A1 (club cell marker) gene expression in the COPD-control group compared to the non-COPD control group, consistent with previous clinical studies. Furthermore, we observed that IAV infection elevated SCGB1A1 gene expression especially in secretory cells of both the COPD and non COPD groups. This may imply the role of club cells as early responders during IAV infection providing epithelial repair, regeneration, and resistance to spread of infection. This is the first study to address the molecular diversity in COPD and non-COPD disease models infected with IAV investigating the early response (6 h) of specific cell types in the human lower airways towards infection using scRNA-seq. These findings
highlight the potential interplay between COPD, IAV infection, and altered vulnerability to other viral infections and respiratory illnesses making the hAM applicable for addressing more specific research questions and validating potential targets, such as SCGB1A1 targeted therapy for chronic lung diseases. Our findings demonstrate the potential of the hNM and hTM for investigating respiratory infections, innate immune responses, and trained immunity in non-immune cells. Our experiments show that hAM may represent a more accurate representation of the native physiological condition and improve our understanding of the disease mechanisms. Furthermore, these models promote non-animal research as they replicate clinical findings. We can further increase their complexity by incorporating dynamic flow systems and immune cells catered to the research question.
N2  - Infektionen der Atemwege stellen weltweit ein erhebliches Gesundheitsproblem dar, und das Epithel der Atemwege spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Atemwegsfunktion und der Steuerung von Entzündungsprozessen. In den meisten Studien zu Atemwegsinfektionen wurden jedoch Zelllinien oder Tiermodelle verwendet, die die natürlichen physiologischen Bedingungen nicht genau widerspiegeln, insbesondere im Hinblick auf menschliche Krankheitserreger. Wir haben Modelle der menschlichen Nasenschleimhaut (hNM) und der Tracheobronchialschleimhaut (hTM) entwickelt, um dieses Problem mit primären menschlichen Epithelzellen und Fibroblasten der Atemwege zu lösen.
Wir charakterisierten diese humanen Atemwegsgewebemodelle (hAM) mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Videomikroskopie, Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA- seq), Immunfluoreszenzfärbung und ultrastrukturellen Analysen, die ihre Komplexität und zelluläre Heterogenität offenlegten. Wir konnten zeigen, dass der Virulenzfaktor Adenylatzyklasetoxin (CyaA) von Bordetella pertussis die intrazelluläre Produktion von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) und die Sekretion von Interleukin (IL)-6, IL-8 und humanem Beta-Defensin-2 (HBD-2) erhöht. Darüber hinaus verglichen wir die Reaktionen der Gewebemodelle aus zwei verschiedenen anatomischen Bereichen (obere und untere Atemwegsschleimhaut) und sind die ersten, die eine solche unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber CyaA anhand von 3D-Modellen aus Atemwegsprimärzellen berichten. Die Auswirkung der Toxinbehandlung auf die epitheliale Barriereintegrität der Gewebemodelle wurde durch Messung des Flusses von Fluorescein-Isothiocyanat (FITC)-konjugiertem Dextran durch die Modelle ermittelt. Obwohl wir eine zelltypspezifische Reaktion in Bezug auf die intrazelluläre cAMP-Produktion und die Sekretion von IL-6, IL-8 und HBD-2 in den mit CyaA behandelten Modellen auf der apikalen Seite beobachteten, war die Integrität der Epithelmembranbarriere nicht beeinträchtigt.
Anhand dieser gut charakterisierten Modelle haben wir Virusinfektionsstudien für Influenza A (IAV), das respiratorische Synzytialvirus Subtyp B (RSV) und das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) durchgeführt. Wir haben die morphologischen Folgen der Virusinfektion mithilfe von Ultrastrukturanalysen und Immunfluoreszenz sichtbar gemacht. Wir verifizierten die effektive Infektion in hAM
 
durch Messung der viralen RNA mittels RT-qPCR und wiesen erhöhte IL-6- und IL-8- Spiegel als Reaktion auf die Infektion mittels biochemischer Assays nach. Im Gegensatz zu Zelllinien zeigten die Virusinfektionsstudien mit hAM, dass die infizierten Bereiche auf bestimmte Regionen beschränkt waren, was zu Infektions-Hotspots führte, die eher bei Modellen auftraten, die von verschiedenen Spendern stammten und mit allen drei Viren separat infiziert waren. IAV-infizierte Gewebemodelle replizieren die klinischen Befunde einer H1N1-Infektion, wie beispielsweise Schleimhypersekretion, Zytokinfreisetzung und infektionsassoziierte Epithelzellschäden.
Schließlich haben wir die Auswirkungen einer IAV-Infektion auf Krankheitsmodelle untersucht. Dazu haben wir hTM aus Biopsien von Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) isoliert. In Anbetracht der Zunahme an COPD-Fällen in den letzten zehn Jahren und der prognostizierten weiteren Zunahme in der Zukunft dient dies als Modell zur Untersuchung der Auswirkungen von COPD auf Atemwegsinfektionen. Wir erstellten ein IAV-Infektionsprotokoll, um die frühen Infektionssignaturen bei nicht-COPD- und COPD-Patienten mit Hilfe von scRNA-seq zu erfassen. Bei der untersuchten der Infektionskinetiken von IAV (klinisches H1N1- Isolat) in hTM stellten wir fest, dass die Viren etwa 24 Stunden nach der Infektion aktiv freigesetzt wurden. Die scRNA-seq-Daten von hTM, zeigten eine geringere Genexpression von SCGB1A1 (Clubzellmarker) in der COPD-Kontrollgruppe verglichen mit der nicht-COPD-Kontrollgruppe, was mit früheren klinischen Studien übereinstimmt. Darüber hinaus stellten wir fest, dass eine IAV-Infektion die SCGB1A1- Genexpression insbesondere in den sekretorischen Zellen beider Gruppen erhöhte. Dies könnte darauf hindeuten, dass Keimzellen während einer IAV-Infektion früh aktiviert werden und damit eventuell für die Reparatur und Regeneration des Epithels sorgen sowie der Ausbreitung der Infektion entgegenwirken. Hierbei handelt es sich um die erste Studie, die sich mit der molekularen Vielfalt in mit IAV infizierten COPD- und nicht-COPD-Modellen befasst und dabei ein besonderes Augenmerk auf die frühe Reaktion (6 Stunden) spezifischer Zelltypen der unteren Atemwege legt und diese mittels scRNA-seq untersucht. Diese Ergebnisse unterstreichen das potenzielle Zusammenspiel zwischen COPD, IAV-Infektion und der Anfälligkeit für andere Virusinfektionen sowie anderer Atemwegserkrankungen. Das zeight, dass die hAM für die Beantwortung spezifischerer Forschungsfragen und die Validierung potenzieller
 
Zielstrukturen, wie z. B. einer gezielten SCGB1A1-Therapie für chronische Lungenerkrankungen, geeignet sind.
Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial von hNM und hTM für die Untersuchung von Atemwegsinfektionen, angeborenen Immunreaktionen und ausgebildeter Immunität in nicht-immunen Zellen. Mit unseren Experimenten haben wir gezeigt, dass hAM eine genauere Darstellung des natürlichen physiologischen Zustands darstellen und unser Verständnis der Krankheitsmechanismen verbessern kann. Darüber hinaus könnten diese Modelle die Forschung ohne Tierversuche fördern, da sie dazu neigen, klinische Befunde zu replizieren. Wir können ihre Komplexität weiter erhöhen, indem wir dynamische Strömungssysteme und auf die Forschungsfrage abgestimmte Immunzellen einbeziehen.
KW  - Atemwege
KW  - Gewebemodelle
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KW  - Infektionsstudien
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322414
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